纳木错百米岩芯： 青藏高原古气候变化的新证据

大陆科学钻探工作模式大陆科学钻探可直接获取地球大陆内部信息，千米深部钻探提供了保留在垂向层序中的地质信息。钻孔所获岩芯样品储存于岩芯库中，通过对岩芯的分析获得大量数据，用以开展多学科综合研究。

纳木错ICDP项目设计的孔位（a）纳木错ICDP项目设计的钻探孔位分布；（b）三支150米短岩芯CL-1、CL-2和CL-3的沉积物反射剖面，由图中沉积物层序对应关系可看出，这三个岩芯可拼接成一个达到MIS13阶段的连续环境变化序列；（c）计划700米深主孔DT-1的沉积物反射剖面；（d）计划200米深钻孔GH-1的沉积物反射剖面。图中MIS是指深海氧同位素（marine isotope stage,MIS）阶段，这是根据海洋沉积物有孔虫壳体18O同位素含量的差异，将不同特

征沉积物划分为多个阶段，其中单数阶段对应温暖期，双数阶段对应寒冷期，MIS13就是深海氧同位素13阶段。

青藏高原是世界上海拔最高的高原，也是地球上非常独特的地理单元。其上分布的冰川、湖泊、河流等地表水体，为亚洲提供了淡水资源，堪称“亚洲水塔”；且其湖泊沉积物也记录了地球从远古时期以来，流域内有关岩石、土壤、植被、河流及人类活动等信息，通过采集沉积物岩芯并开展研究，可反推出古环境古气候的状况，为应对气候变化提供科学依据。青藏高原的陆地面积约占全国的1/4，而湖泊面积超过全国的50%。这里的湖泊海拔大多在4000米以上，面积大于1千米2的湖泊超过1400个，合计总面积超过50000千米2，可谓是地球上海拔最高、数量最多、面积最大的湖群区。我国面积最大的湖泊——青海湖，水量最大的湖泊——纳木错，以及全部位于我国境内目前已知最深的湖泊——当惹雍错，都位于青藏高原。这些居高临下傲视一众东部湖泊的高原湖泊，储存了巨大的水量。因此，从这个意义上来说，青藏高原不但是“世界屋脊”和“地球第三极”，也是“中国最大的水乡”[1]。

湖泊沉积物与古环境

湖泊作为地球陆地水圈的重要组成部分，联系着大气圈、生物圈和岩石圈，是各圈层相互作用的连接点，是大气、水、沉积物界面等进行物质和能量交换的场所[2]。青藏高原上的湖泊以内陆封闭湖泊为主，

即湖泊中的水不流出湖盆，而是作为一个相对独立的地理系统存在和发展。封闭湖泊一般是整个流域的最低处，因此也是流域内岩石、土壤、植被、河流及人类活动等信息的聚集地。气候和环境变化深刻地影响着湖泊的生成、演化及消亡，其中的信息也通过大气沉降和地表径流等过程传递到湖泊中，进而通过湖泊内部的沉积过程被储存在湖泊底部的湖泥中，这些湖泥就是湖泊沉积物，它是物理、化学和生物作用的综合产物。科学家通过采集这些沉积物开展相关分析和研究，从而可以反推沉积物形成时的气候环境状况，这就是古气候（古环境）重建研究，而通过钻探从沉积物中取出的柱状样品就是“岩芯”。

通过湖泊岩芯开展的不同时间尺度的古气候重建研究，可以让我们深入了解过去的气候环境状况，并建立相应的演化规律，在此基础上再通过气候模型可以预测未来一定时间范围内的气候变化趋势，从而为应对气候变化提供科学依据。由于湖泊分布广泛，因此在记录局部地区或者区域尺度的环境变化方面，与其他只在特定环境下存在的环境载体如冰川、黄土、树木、石笋等相比，具有一定的优势。

内陆湖泊的演化遵循一定的规律。由于湖泊不断接纳来自外部的物质，且湖泊内部也会由于生物活动产生自生沉积物，因此，如果气候环境状况保持相对稳定的状态，则在经过一定时间后湖泊将会被沉积物填满，从而完成了其生命过程走向消亡。封闭湖泊一般只有通过蒸发这种单一方式损失湖中的水（少量湖泊会有渗漏现象），随着时间的推移，留存在湖中的各类矿物离子含量则会逐渐升高，导致湖泊盐度不断升高，最终演化为盐湖。湖泊对气候变化的响应非常敏感，如气温、降水和蒸发等气候参数会直接对湖泊的演化产生影响，造成湖泊水位的上升和下降，这些变化信息都能够以某种方式储存在沉积物中，从而为科学家利用湖泊沉积物研究过去气候变化提供原始材料。

那么，湖泊沉积物中有哪些内容可以反映过去的环境变化？这包括沉积物的颗粒大小组成（粒度分布）、密度、含水量、磁化率等物理特征，有机质含量、化学元素含量、矿物组成等化学特征，以及一些生物和微生物的化石，如孢粉（花粉）、硅藻、介形虫、摇蚊等，甚至更小的病毒和细菌，所有这些被称为环境代用指标，它们可以通过科学的方法被测定，从而知道其具体组成和含量。当然，要进行古环境重建，还需要知道沉积物形成时的年龄，一般可以通过放射性同位素定年技术来确定。

随着1980年代全球变化研究的兴起，青藏高原湖泊沉积与古环境研究迎来了新的发展阶段，科学家在包括青海湖、色林错、班公湖等在内的湖泊中，采集沉积岩芯并开展相关研究，推动了青藏高原古气候环境演化的研究，同时将青藏高原的古湖泊学通过合作研究的方式推向国际学术舞台，引起了国际古气候学界的广泛关注。之后，利用青藏高原湖泊沉积物开展古气候古环境研究，进入快速发展阶段，这是与青藏高原作为一个独特的地理单元，对于地球系统科学研究的重要性分不开的。

青藏高原湖泊岩芯钻探现状

连续的湖泊沉积岩芯，是开展高分辨率古环境演化研究的重要地质档案，然而，获取高质量的长岩芯一直是青藏高原湖泊研究中一个较大的挑战。受制于技术研发人员及资金的投入，以及受高海拔自然环境、

天气状况、湖泊水深和设备可操作性等因素的制约，我国湖泊岩芯钻探多年来未有较大突破，青藏高原湖泊沉积物研究，大多以20米级别以下的为主，时间尺度一般不超过3万年。更长尺度的湖芯钻探工作，只能依靠国际大陆科学钻探计划（International Continental

Scientific Drilling Program, ICDP）的资助和国外钻探队完成，我国科学家参与程度与贡献相对较少。

目前国内研究者常用的是一家外国公司改进的基于活塞取样原理的钻探设备和一体化平台，这套系统基本上实现了半自动化操作，大大提高了采样效率与成功率（例如在水深130米的地点可在2小时左右完成一次2米岩芯的采样），在亚ICDP级别的湖泊钻探技术上具有明显优势， 近几年利用此套设备在青藏高原的纳木错（水深93米）、当惹雍错（水深220米）、塔若错（水深130米）、色林错（水深42米）等地，都成功取得了较高质量的岩芯，但钻探深度没有超过15米，岩芯年代最老是距今27000年，仍无法开展更长时间尺度的环境变化研究。

2005年，在ICDP的支持下，利用另一家外国公司的湖泊钻探系统，在青海湖开展了迄今为止青藏高原上规模最大的沉积物岩芯钻探工作，钻探设备和技术主要由美国人负责，中国科学家及相关钻探技术人员也全程参与了这项工作，积累了一定的湖泊钻探经验。整个钻探过程，由于受到恶劣天气的严重影响，未能达到既定的钻探深度（700米），实际最大钻探深度是114.9米，在这个钻孔中获得了76.8米的岩芯，取芯率是67%[3]。所以，确保岩芯钻探成功的因素，除设备、技术及沉积物性质外，天气也是非常重要的因素之一。

此外，在冬季结冰期的湖面上架设钻探系统进行取样，也是常用的湖泊钻探手段。如在我国的新疆、内蒙古以及东北地区的一些湖泊，科学家都尝试开展了冰上钻探工作；在国际上，利用这种采样方法在南极地区、北欧大陆及西伯利亚等地，也都成功获取了很多岩芯。然而，对于位于青藏高原内陆腹地的大湖，由于地处较低纬度地区（大多位于北纬30°附近），冬季的太阳辐射仍较强，不利于湖冰发育，因而，湖泊的冰冻条件达不到冰面钻探的要求。比如，尽管纳木错海拔4730米，冬季极端气温可低至-30℃左右，但其完全结冰期只有3个月，即二月中旬到五月中旬，深水区湖冰厚度在0.5—0.6米，且持续时间不超过两个月[4]，无论从冰厚（一般要求冰厚超过1米），还是冰层持续时间，都无法满足长岩芯钻取的需要，特别像纳木错这样的大型湖泊，较长距离的设备运输在冰面上几乎是难以实现的。因此，长岩芯钻取工作首先要解决的就是在较大风浪条件下，保持平台的稳定性。其次，还需要根据沉积物地层性质，对钻具进行有针对性的改进，以确保在遇到砂层甚至砾石层时能够顺利穿透。这些要求对于在纳木错这样的高海拔深水湖泊中进行百米级别的岩芯钻探，都是前所未有的挑战。

纳木错国际大陆科学钻探计划

国际大陆科学钻探计划（ICDP）是一个大型国际合作计划，创立于 1996年，中国是发起国之一，目前有21个成员国。该计划致力于联合各国科学家及工程师，在地球的主要大湖及湖盆内开展科学钻探工作，来研究地球的气候环境演化规律、构造活动、生物演化、地质灾害等等相关科学问题。至今已在全球几十个地点开展了科学钻探，许多著名大湖都已完成钻探计划，如贝加尔湖、马拉维湖、死海、伊塞克湖等[5]。其中，贝加尔湖是地球上最深的湖泊，最深处超过1600米，科学家在该湖中开展了多次科学钻探工程，1997年在南部湖盆1200米水深处获取约225米的岩芯，可谓是前ICDP时期（贝加尔湖早期的钻探计划实施时间在ICDP成立之前）湖泊钻探中的一项开创性工作[6]。死海是全球湖面最低的湖泊，湖面海拔为-427米（2013年数据），在ICDP项目的资助下，科学家在该湖297米水深处钻探深度达到455米，共计获取406米长的岩芯，取芯率约为89%[7]；死海的岩芯钻探在已完成的ICDP湖泊钻探项目中，其钻探深度是最深的，利用这支岩芯，科学家对过去22万年以来死海流域的水文气候变化格局进行了详细的研究[8]。

目前，我国已有多个大陆钻探计划纳入 ICDP 框架下[9]，特别是2018年5月完钻的松辽盆地“松科二井”，以7018米的钻探深度成功创造了多项记录，成为全球首个钻穿白垩系的科学钻井，大大显示了我国大陆科学钻探水平。ICDP与成立时间更长、影响更大的国际大洋发现计划（International Ocean Discovery Program, IODP）有异曲同工之处，该计划是深海钻探计划的第四阶段，始于1968年，至今已运行50多年。这两项计划有很多相似甚至相同的科学诉求，可以说是“姊妹计划”，只是后者，顾名思义，聚焦于海洋钻探。

在纳木错开展前期研究工作中，我们于2008年在接近湖中心的位置处采集了约11米的岩芯，该岩芯为重建过去2.4万年来的连续环境变化提供了基础。距今2.4万年前的时期处于末次冰盛 期（last glacial maximum, LGM），即距离现在最近的一次冰期鼎盛期，气候比现在更寒冷，那时的纳木错湖面远比现在低，湖水可能只有十几米深，而现在的纳木错最大水深处接近100米。随着LGM的结束，在距今约1.6万年时，纳木错地区的环境状况发生了显著变化，降水突然增加，湖面抬升，我们认为这种气候状况的改变是因为印度季风的增强，取代了之前在该地区占统治地位的西风系统[10]，印度季风主要源于印度洋孟加拉湾，季风携带大量水汽，翻越喜马拉雅山脉进入青藏高原腹地，从而带来大量夏季降水。这种大气环流系统的巨大改变，对区域气候产生了深远影响，在纳木错以西的当惹雍错和塔若错，同样捕捉到了这种环流系统改变的信号[11]。然而，限于岩芯长度，对LGM之前的湖泊状况及气候特征，仍无从得知，特别是对于“青藏高原大湖期”这样重要而特殊的时段（距今4万年—2.5万年），无法进行研究和验证[12]。末次冰盛期仍是距今比较近的历史时期，目前精确了解的环境变化尚不足以覆盖一个完整的冰期—间冰期循环。科学家通过对深海有孔虫的研究发现，在过去百万年时间尺度上，地球的环境变化经历了几十个冰期—间冰期循环，这主要是受到地球轨道参数周期性变化的影响，处于青藏高原地区的湖泊中势必也存在这种变化的痕迹。

经过2014年和2016年两次在纳木错开展大规模沉积物地球物理勘探考察，我们确认在纳木错深水区可见的沉积物厚度可达700米以上，根据对已有岩芯沉积速率的推算，并结合沉积物地层的变化规律，大致判断这些沉积物的年龄达到百万年的时间尺度，显示纳木错具有开展更长时间尺度研究的巨大潜力，而在这样的湖泊中开展深水钻探将是一个巨大的挑战，由此拉开了申请ICDP钻探项目的序幕[13]。

经过两次申请，首先获得ICDP关于召开纳木错钻探项目国际研讨会的资助。2018年5月，来自13 个国家的 45 位不同领域的科学家齐聚北京，在为期三天的研讨会上，详细讨论了在纳木错实施大陆科学钻探项目的科学意义、可行性，并初步拟定了钻探计划。之后开始钻探项目实施的申请，同样是经过两次申报和评审，最终在2020年6月获得批准，正式纳入了ICDP的项目资助计划。

该项目在纳木错中心湖区规划了5个钻探点位：其中三个点位计划只采集上部150米深度的岩芯，每个孔采集3个平行岩芯，一个主孔（DT-1）计划钻取到700米深处，另在主湖区偏南位置计划钻一个200米深的钻孔（GH-1），全部计划采集的岩芯将达225米[13]。考虑到纳木错地区的高海拔及天气状况，这将是一个极有挑战性的钻探项目，对钻探平台、钻机、钻探技术人员以及后勤保障都提出了非常高的要求。而从ICDP多年的实施结果来看，超过500米深度的钻孔仍然非常少，如果纳木错钻探项目能够顺利按计划完成，这将是对国际湖泊钻探领域的一项巨大贡献。

通过纳木错钻探项目，我们将首次获取青藏高原中部地区百万年时间尺度的连续环境变化序列，从而可以对气候变化及驱动机制、西风环流和印度季风系统的协同作用、冰期—间冰期旋回及转换特征、水生生物区系对长时间环境变化的响应和适应等重要科学问题开展深入研究，并可以此为基础，与南北极、北大西洋等地区的古气候序列开展对比研究，寻找第三极地区与地球上其他重要地区气候变化的异同，从而为深入认识青藏高原在地球环境系统演化中的作用和地位，提供新的科学证据，推动青藏高原古气候研究的发展。

纳木错百米岩芯的获取及意义

在经过了周密的准备后，我们和地矿公司的技术人员组建了一支12人的钻探工作队，技术人员在地矿勘探及陆地岩芯钻取方面都具有丰富的经验，曾在2005年作为辅助人员，参加了青海湖ICDP的钻探工作。然而，真正在近百米深的深水湖泊中开展百米长度的岩芯钻探，对他们依然是一个全新课题。

2019年7月1日，正式开钻。此时，大家信心满满。140余个大油桶拼成的54米2的水上平台，将全部钻探设备运至位于纳木错东部湖区水深38.6米的预选取样点，顺利钻进至14.8米，遇到了砾石层，单个石块最大可达6厘米，说明那个时候湖水非常浅，甚至由于湖面下降，钻探点已经露出水面，从而形成滨湖相沉积，这符合我们的预期，可以说在浅水区的钻探试验是成功的。于是，我们将平台转移至中心湖区水深94.0米的第二钻探点，也是计划采集能突破100米岩芯的地方。开阔湖区的风浪往往比浅水区更强烈，因此对平台稳定性提出了更高的要求。为了稳住平台，尝试了多种方案（包括形状、大小、重量等）的锚，最终都没有完全解决平台稳定性的问题，因为每个湖的底泥性质不一样，锚的适用性也需要根据实际情况进行改进。然而，最终导致钻探中止的原因仍是地层因素，在如此深水条件下，岩芯采集到19.8米时仍遇到砂石层，可见的最大颗粒长约2厘米，这给在泥中处于自由状态的整套钻具带来了巨大的阻力，且极容易损坏钻具。考虑到平台稳定性仍待提升，且砂层对继续采样带来巨大难度，钻探工作暂时搁置下来，接下来两个多月时间里，一直在尝试改进各种方案，但由于天气持续较差，因而直到9月中旬都未能再次尝试开钻。

接下来的整个冬天，大家一直在进行技术上的讨论并改进设计方案，所有准备工作在新冠疫情的笼罩下，有条不紊地进行着。2020年5月中，队伍重整旗鼓，再赴高原。经过加大平台（由54米2增加到81米2）、改进锚及增加抛锚的电动提升机、增加套管，并创造性地提出水中套管扶正系统等一系列改造后，刚好来到7月1日，时隔一年，再次开钻，一切重新开始。

在纳木错地区，6月份是风浪较小的时候，因为季风还没有强盛起来，降雨也相对比较少，正是开展湖上作业的理想时段。纳木错的风浪见证了我们的努力，平台被四个大锚牢牢固定在水中，有时二三天风浪天气过后，平台位移都只在一米以内，可以轻松地通过调整各方向的锚绳将平台归位，这为采样工作提供了最基本的保障。而经过精细设计和小心放置的三个长条浮筒，将套管稳定地直立于94.5米的深水中，通过这个套管，钻具下到湖底沉积物中进行岩芯钻取，就非常类似于陆地钻探了， 且保证每一次都能够在同一个钻孔中继续采样。

与上一年3个多月的时间中只有36天能够上湖工作相比，2020年的天气似乎整体上更好一些，钻探工作进展比较顺利，其中最多的时候，一天之内可以完成5个回次，获取约12.5米长的岩芯，尽管需要

大家从早忙到晚，且在如此高的海拔下工作会非常疲惫，但这样的收获带给大家的是满满的信心和激励，大家都忘记了疲劳，保持着高涨的热情。钻探100米的第一个目标终于在7月21日下午三点顺利实现，当天第二次的尝试，钻进至100.63米。大家欢呼雀跃，喜极而泣，这个一百米实在是来得太不容易了。之后进展比较平稳，在月 3日达到153.44米，结束钻探，完成了耗时一年多的纳木错百米深钻工作，实现最初设计目标。

本次纳木错岩芯钻探工作，利用自主设计和集成的钻探系统，克服了纳木错较大风浪的不利影响，获取了总采集率为96%的高质量岩芯，实现钻探深度和岩芯长度的双突破，创造了我国湖泊岩芯钻探的新记录。从采样技术的角度来说，这是我国科学家首次在美丽青藏高原做出新贡献。

[本文相关工作得到中国科学院战略性先导科技专项（XDA20070101）和第二次青藏高原综合科学考察研究项目（2019QZKK0202）资助，以及科普中国共建基地“青藏高原地球科学科普教育基地”项目的支持。]

作者：王君波，中国科学院青藏高原研究所

参考文献：

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文章转自： 《科学》2021 年 5 月 | 73 卷 3 期